CN111796364A - 一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，由两根带有C形开口的空芯反谐振光纤相对称地对接，整体形成双芯反谐振光纤；每根空芯反谐振光纤由空气纤芯、环绕在纤芯周围作为内包层的空芯薄壁管以及包覆在空芯薄壁管外的管状外包层组成；空芯薄壁管采用无节点式结构；空芯反谐振光纤扩大某一处相邻空芯薄壁管的间隙形成C形开口的狭缝结构，双芯结构中两根空芯反谐振光纤的纤芯通过C形开口相互连通，并在双芯反谐振光纤内的对称轴线上相对称地设有两个空芯薄壁管；整体结构经过3D打印和光纤拉锥形成太赫兹双芯反谐振光纤耦合器。该耦合器凭借相对简单的结构实现了在太赫兹波段的光纤耦合，拓展了空芯反谐振光纤的在光纤耦合技术方面的应用。

Description

一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器
技术领域
本发明属于光纤耦合技术领域，具体涉及一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1～10THz之间，对应波长范围在30μm～3mm之间的电磁波，其在光谱中处于微波和红外光之间，具有良好的光子学特性和电子学特性。THz波对非极性材料具有较高的穿透性，而其本身光子能量较低，此外THz波还具有宽带宽和大通信容量等特性，使得THz波在无损检测、生物医学成像、通信等领域具有广泛的应用前景。然而，大气中的水蒸气对THz波具有较强的吸收，同时THz波在传输时的发散角较大，使得THz波在自由空间中传输时具有较大的损耗并且难以控制其传输方向，因此高性能的THz波导技术成为了THz技术发展的关键之一。其中，经过优化设计的空芯反谐振光纤(Hollow-core anti-resonant fiber,HC-ARF)在THz波段具有宽传输带宽、低传输损耗、高损伤阈值等优势，近年来引起了科研工作者广泛的关注。
随着HC-ARF在THz波段传输性能的不断提高，对基于HC-ARF的光开关、调制器、耦合器等THz光学器件的研究也逐渐成为一个新的研究方向，其中光纤耦合器是激光分路、合路或延长光纤链路等方面最主要的光学元件。实现光波模式耦合需要从不同光纤的耦合机制入手，目前对各类石英光纤耦合机制的研究已经相当成熟，通常利用光在纤芯中全反射时产生的倏逝波的相互作用实现耦合。具体来讲，就是当两根光纤距离足够近时，它们各自传导的模场将引起对方光纤介质的极化，并激励起传导模，从而使双方的模式发生渗透和重叠，进而实现模式耦合。而HC-ARF纤芯中的模场被反谐振效应限制在纤芯内，它们的纤芯模式与包层模式几乎没有重叠，并不能单纯靠拉近距离实现模式耦合，只有改变其结构，组合成双芯结构或多芯结构，才能使纤芯间的模式相互影响从而在空芯反谐振光纤中实现模式耦合。
但是现有技术中并没有对多芯HC-ARF的耦合机制进行充分的研究，也缺少基于HC-ARF的THz光纤耦合器，所以需要设计一种基于HC-ARF的THz光纤耦合器，以拓展HC-ARF的应用领域和促进光纤耦合技术在THz波段的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种适用于THz波段的双芯反谐振光纤耦合器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，由两根带有C形开口的空芯反谐振光纤相对称地对接，整体形成双芯反谐振光纤；所述空芯反谐振光纤由空气纤芯、空芯薄壁管和管状外包层组成，每根空芯反谐振光纤的管状外包层内壁均匀分布所述空芯薄壁管，所述空芯薄壁管彼此之间无接触形成无节点式结构；所述空芯薄壁管环绕于空气纤芯周围作为内包层；双芯反谐振光纤中两根空芯反谐振光纤的纤芯通过C形开口相互连通，并在双芯反谐振光纤内的对称轴线上相对称地设有两个空芯薄壁管。
进一步的，每根所述空芯反谐振光纤内均设有五个空芯薄壁管，所述双芯反谐振光纤内共有12个空芯薄壁管。
进一步的，所述耦合器整体结构通过3D打印和光纤拉锥形成。
进一步的，所述耦合器的材料为环烯烃聚合物。
进一步的，所述空芯薄壁管的截面为圆形，内径与纤芯直径比为0.5：1。
进一步的，所述空芯薄壁管壁厚度满足太赫兹波的反谐振周期条件。
进一步的，所述管状外包层的厚度与纤芯直径比为0.25：1。
进一步的，每根所述空芯反谐振光纤中C形开口的狭缝大小为
Figure BDA0002547709890000021
每根空芯反谐振光纤内的五个空芯薄壁管以
Figure BDA0002547709890000022
均匀对称分布。
进一步的，所述双芯反谐振光纤内两个空芯反谐振光纤的距离为D，满足：2.6mm≤D≤3.6mm。
进一步的，所述双芯反谐振光纤内对称轴线上的两个上下对称分布的空芯薄壁管间隙距离为d，满足：0.9mm≤d≤1.4mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明利用全新的模式泄漏耦合机制克服了反谐振光纤之间无法耦合的问题，丰富了多芯反谐振光纤的耦合理论，凭借相对简单的空芯反谐振光纤结构实现了在太赫兹波段的光纤耦合，拓展了空芯反谐振光纤的在光纤耦合技术方面的应用，同时对太赫兹激光分路、合路或延长光纤链路等方面都有着重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中太赫兹双芯反谐振光纤耦合器的结构示意图；
图2为实施例中耦合器的耦合长度随空芯薄壁管间隙距离d的变化曲线图；
图3为实施例中耦合器的耦合长度随耦合器两个纤芯距离D的变化曲线图；
图4a和图4b为实施例中对称模s在水平偏振方向上的场强分布曲线和场强分布图；
图5a和图5b为实施例中反对称模a在水平偏振方向上的场强分布曲线和场强分布图。
附图标记：1-空气纤芯，2-空芯薄壁管，3-管状外包层，4-狭缝结构，5-狭缝处纵向切面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本实施例的太赫兹双芯反谐振光纤耦合器的截面图，由两根带有C形开口的空芯反谐振光纤相对称地对接，整体形成双芯反谐振光纤；每根空芯反谐振光纤由空气纤芯1、环绕在纤芯周围作为内包层的五个空芯薄壁管2以及包覆在空芯薄壁管2外的管状外包层3组成；空芯薄壁管2相互之间无接触，形成无节点式结构；空芯反谐振光纤扩大某一处相邻空芯薄壁管的间隙形成C形开口的狭缝结构4；双芯反谐振光纤中两根空芯反谐振光纤的纤芯通过C形开口相互连通，并在双芯反谐振光纤内的对称轴线上相对称的设有两个空芯薄壁管2；整体结构经过3D打印和光纤拉锥形成太赫兹双芯反谐振光纤耦合器。
如图1所示，两根空芯反谐振光纤的空气纤芯1的直径为Dcore，结构内部的空芯薄壁管2的内径为dcore，空芯薄壁管2的壁厚为t，管状外包层3的厚度为T，狭缝结构4的大小为
Figure BDA0002547709890000031
两个纤芯的距离为D，在连通区域中心设置上下对称分布的两个空芯薄壁管2的距离为d。
由于空芯反谐振光纤的纤芯模场因反谐振效应被限制在纤芯内，它们的纤芯模式与包层模式几乎没有重叠，并不能单纯靠拉近距离实现模式耦合，只有改变其结构，组合成双芯结构或多芯结构，使纤芯间的模式相互影响从而在空芯反谐振光纤中实现模式耦合。为了实现模式耦合，需要使用一种新的耦合机制——模式泄漏耦合机制，即在保证原有空芯光纤波导功能的同时，将各自的模式泄漏到相邻的纤芯中，模式间相互作用实现耦合。在本发明中利用两根具有相同C形开口的狭缝结构的空芯反谐振光纤对接形成双芯结构，使其纤芯相互连通，实现模式泄漏，同时利用在连通区域对称轴线上的上下对称分布的两个空芯薄壁管保证左右两部分仍具有空芯反谐振光纤的波导功能，从而凭借相对简单的结构实现了在太赫兹波段的光纤模式耦合，并根据耦合模式理论，利用双芯结构中的对称模s和反对称模a这两种本征模式的传播常数计算获得该耦合器的耦合长度。
实施例：
所设计的太赫兹双芯反谐振光纤耦合器结构如图1所示，两个空气纤芯1的直径Dcore为2mm；围绕在纤芯周围的空芯薄壁管2的内径dcore为1mm；空芯薄壁管2的壁厚t满足反谐振周期条件设置为0.13mm；管状外包层3的厚度T为0.5mm；为保证结构内部的空芯薄壁管2仍保持无节点式分布，狭缝大小
Figure BDA0002547709890000041
为60°。
在传输频率为2.5THz时，不同D下耦合器的耦合长度随d的变化曲线如图2所示，可以发现，d的变化显著影响着耦合器的耦合长度，随着d增大，不同D下的耦合长度均呈指数下降。图3为d等于1.2mm时耦合长度随D的变化曲线，可以发现，随着D从2.6mm增加到3.6mm，耦合长度从0.72m增加到了1.42m，二者呈线性关系。但在调整D和d的同时，需要保证各纤芯中的模场相对独立，以满足双芯反谐振光纤的模式泄漏耦合机制。图4a和b、图5a和b分别为在D等于2.6mm，d等于1.2mm时对应的对称模s和反对称模a在水平偏振方向上的场强分布曲线和场强分布图，图中黑白区域代表模式沿正向和反向传输，灰色部分为归一化零值。可以发现，模场大多数集中在了各自纤芯中并表现出了明显的模式耦合现象。最终利用本发明中的太赫兹双芯反谐振光纤耦合器实现了2.5THz下耦合长度为0.72m的双芯模式耦合。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，由两根带有C形开口的空芯反谐振光纤相对称地对接，整体形成双芯反谐振光纤；所述空芯反谐振光纤由空气纤芯、空芯薄壁管和管状外包层组成，每根空芯反谐振光纤的管状外包层内壁均匀分布所述空芯薄壁管；所述空芯薄壁管彼此之间无接触形成无节点式结构；所述空芯薄壁管环绕于空气纤芯周围作为内包层；双芯反谐振光纤中两根空芯反谐振光纤的纤芯通过C形开口相互连通，并在双芯反谐振光纤内的对称轴线上相对称地设有两个空芯薄壁管。
2.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，每根所述空芯反谐振光纤内均设有五个空芯薄壁管，所述双芯反谐振光纤内共有12个空芯薄壁管。
3.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述耦合器整体结构通过3D打印和光纤拉锥形成。
4.根据权利要求1或3所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述耦合器的材料为环烯烃聚合物。
5.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述空芯薄壁管的截面为圆形，内径与纤芯直径比为0.5：1。
6.根据权利要求1或5所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述空芯薄壁管壁厚度满足太赫兹波的反谐振周期条件。
7.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述管状外包层的厚度与纤芯直径比为0.25：1。
8.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，每根所述空芯反谐振光纤中C形开口的狭缝大小为
Figure FDA0002547709880000011
每个空芯反谐振光纤内的五个空芯薄壁管以
Figure FDA0002547709880000012
均匀对称分布。
9.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述双芯反谐振光纤内两个空芯反谐振光纤的距离为D，满足：2.6mm≤D≤3.6mm。
10.根据权利要求1所述一种太赫兹双芯反谐振光纤耦合器，其特征在于，所述双芯反谐振光纤内对称轴线上的两个上下对称分布的空芯薄壁管间隙距离为d，满足：0.9mm≤d≤1.4mm。
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